Name: preparation of biopolymer aerogels using green solvents
Uploaded: 2016-07-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 13 s
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DFG（プロジェクトSM 82 / 13-1）からの財政支援を深く感謝されています。

アミド化ペクチン原液の調製<ol><li> 980グラムの水（2.0重量％）で20グラムアミド化ペクチンを混ぜます。アミド化の程度は、25重量％です。 </li><li>均一な粘性溶液を得るために2分間高速攪拌機（10,000 rpm）以上の溶液を均質化します。 </li><li> pHはストリップまたはpHメーターを用いてpHを測定します。 pHが6.5未満である場合には、液（pH 7.0）溶液を中和するために0.5 M NaOHで滴定します。 </li><li>ドライアミド化ペクチン（Q = 1）のグラム当たり0.1825グラムの割合で炭酸カルシウムを追加します。 「Q」は、架橋度を示します。 </li><li> 1キロ2.0重量％アミド化ペクチン溶液、20.0グラムの乾燥ペクチンあたり3.65グラムの炭酸カルシウム（Q = 1）7を追加します。 </li><li>大きい架橋には、乾燥したアミド化ペクチン（Q = 2）のグラム当たり0.3650グラムの炭酸カルシウムを追加します。 </li></ol>ヒドロゲルの2.生産<ol><li>得るために、高速ホモジナイザー（10,000 rpm）を用いてアミド化ペクチン/炭酸カルシウム混合物を均質化白の均一な分散液。 </li><li>オープンポリプロピレン型またはガラスペトリ皿にサスペンションを転送します。 </li><li>高圧オートクレーブ中で金型を置きます。オートクレーブを密封します。 </li><li> RTで5 MPaのまでのガス状のCO 2とオートクレーブを加圧します。 Gurikov らを参照してください。7の詳細については。 24時間のための圧力を維持します。 </li><li>ゆっくりは0.2MPa / minでオートクレーブを減圧。 </li><li>オートクレーブを開き、金型を削除します。それらを裏返しすることにより金型からヒドロゲルを削除します。必要であれば、スパチュラを使用しています。 </li></ol> 3.溶媒交換手順<ol><li> 10:90 10gを調製したヒドロゲルのグラム当たりのエタノール/水混合物（w / w）です。 </li><li> 12時間10:90（w / w）のエタノール/水混合物中にヒドロゲルを浸します。 </li><li> つまり 、エタノール濃度の増加に伴って、このプロセスを続行し、10：90から（w / w）のエタノール/水混合物30:70（w / w）のエタノール/水混合物。 12時間後、5への転送0時50分、70：30（12時間）の後、エタノール/水混合物は、90：10（12時間）、次いで100％エタノール溶液（12時間）（w / w）です。 </li><li>ゲル内部の最終濃度が98％以上（重量/重量）となるように純エタノールでさらにゲルを浸します。密度計を用いて濃度を測定します。アルコゲルは現在、超臨界CO 2乾燥のための準備ができています。 </li></ol>超臨界CO 2乾燥によるエアロゲルの4生産<ol><li>ヒドロゲルの調製のために使用したのと同じ高圧オートクレーブにサンプルを配置し（ステップ2.3参照）。 </li><li>ゲルから早期の溶媒の蒸発を防ぐために、追加のエタノール（オートクレーブ量2〜10％）でオートクレーブを埋めます。溶媒中のゲルの完全な浸漬は必要ありません。 </li><li>オートクレーブを密封します。オートクレーブ加熱をオンにします。 323 K.加圧し、圧縮機またはポンプを使用して、12 MPaでの二酸化炭素でオートクレーブに、オートクレーブ作業温度を設定します。 </li><li>定期的にCO 2を置き換えます新鮮なCO 2の圧力を一定に保ちながらオートクレーブ10,11内部。 6-7滞留ボリュームは6時間の期間にわたって必要とされます。 Gurikov らを参照してください。7の詳細については。 </li><li>ゆっくりは0.2MPa / minでオートクレーブを減圧。 </li><li>オートクレーブを開き、エアロゲルを収集します。 exicatorまたは密閉容器内のエアロゲルを保管してください。 </li></ol>

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	<li>Kistler, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+expanded-aerogels.">Coherent expanded-aerogels.</a> J. Phys. Chem. 36 (1), 52-64 (1932).</li><li>Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Aerogels Handbook. , (2011).</li><li>Raman, S. P., Gurikov, P., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+alginate+based+aerogels+by+carbon+dioxide+induced+gelation:+Novel+technique+for+multiple+applications.">Hybrid alginate based aerogels by carbon dioxide induced gelation: Novel technique for multiple applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 23-33 (2015).</li><li>Draget, K. 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Fluids. 105, 1-8 (2015).</li><li>Martins, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+macroporous+alginate-based+aerogels+for+biomedical+applications.">Preparation of macroporous alginate-based aerogels for biomedical applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 152-159 (2015).</li><li>Davidovich-Pinhas, M., Bianco-Peled, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+analysis+of+alginate+swelling.">A quantitative analysis of alginate swelling.</a> Carbohydr. Polym. 79 (4), 1020-1027 (2010).</li><li>Mallepally, R. R., Bernard, I., Marin, M. A., Ward, K. R., McHugh, M. 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Fluids. 72, 111-119 (2012).</li><li>Antonyuk, S., Heinrich, S., Gurikov, P., Raman, S., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+coating+and+wetting+on+the+mechanical+behaviour+of+highly+porous+cylindrical+aerogel+particles.">Influence of coating and wetting on the mechanical behaviour of highly porous cylindrical aerogel particles.</a> Powder Technol. 285, 34-43 (2015).</li></ol>

著者は、彼らが競合する金融利害関係を持たないことを宣言します。

CO 2誘発性ゲル化技術を用いて、一つはバイオポリマーの架橋を誘導するために必要な（例えば、酢酸またはグルコノラクトン（GDL）のために）化学代替の必要性を排除することができます。アミド化ペクチンエーロゲルの表面積は、しかしながら、細孔容積が文献5に示されたものよりもはるかに高い、文献値5より高い範囲にあります。高い細孔容積は、また、CO 2誘導性のゲル化7によって調製アルギン酸エアロゲルを観察しました。しかし、この高い細孔容積（4-150 nmの細孔サイズ範囲）の理由は、ゲル化法、または以前に文献で取り上げられていないバイオポリマーの固有の特性によるものであるかどうかを検証されていません。ペクチンエアロゲルは特性12を superinsulating有することが文献に報告されており、この技術により調製アルギン酸エアロゲルはまた、superinsulatingの範囲内の熱伝導率を有し3,7。従って、この技術によって製造さアミド化ペクチンエアロゲルもsuperinsulating特性を有することが考えられます。 プロトコルの第2節での減圧の速度は、ヒドロゲルの準備の重要なステップです。高速減圧は、ゲルの増加マクロ多孔性につながることができます。この現象は、相互接続性を有する材料のマクロ多孔性は、細胞13,14の成長および増殖のために重要な特徴である組織工学用途に適用することができます。また、プロトコルの第1中の架橋度は、シネレシスにおいて重要な役割を果たし、アミド化ペクチンヒドロゲルの膨潤性。これは、その膨潤挙動ならびに15架橋剤の濃度によって影響されるアルギン酸ハイドロゲルに似ています。これによりアミド化ペクチン製エアロゲルはまた、アルギン酸塩エアロゲル16について報告されたものと同様の超吸収特性を有するように調整することができます。 &lt;プライマリシステムとしてアミド化ペクチン（又はアルギン酸塩）を考慮CO 2誘発性ゲルを使用することにより= &quot;jove_content「Pクラス&gt;、さらなる多様性は、異なる架橋剤とバイオポリマーの組み合わせを導入することにより、エアロゲル中に組み込むことができます。いくつかの金属炭酸塩（ 例えば、亜鉛、ニッケル、コバルト、銅、ストロンチウム、バリウム）は、カチオンは、加圧CO 2（3~5 MPa）とを用いて水性媒体中でpH低下によって解放することができる3の架橋のために使用することができます。しかし、これらのカチオンのいくつかの不溶性塩は、より低い生体高分子濃度について安定な分散体を形成しないことがあり、不均一なゲルにつながる底に落ち着くことができます。これは、CO 2誘導性のゲル3を含む内部設定ゲル化法と一般的な問題であり、これにより、アプリケーションのための技術のユーザビリティは、ケースケースに基づいて評価されるべきです。 種々の配合物は、水溶性の生体を用いて調製し例えば、デンプン、カラギーナン、メチルおよびカルボキシメチルセルロース、ジェランガム、リグニン、ゼラチンなどのようなポリマー;ポリエチレングリコール（PEG）、ポリビニルアルコール（PVA）、プルロニックP-123などのような水溶性の合成ポリマー;このようなケイ酸ナトリウム等の水溶性の無機前駆体はまた、調節可能な特性を有する2アルギン酸同様のハイブリッドエアロゲルを製造するためにアミド化ペクチンと混合することができます。 超臨界CO 2乾燥（SCCO 2乾燥）エアロゲル製造において典型工程、CO 2 17,18またはゲルを使用して、このような溶媒交換や乾燥などの前処理工程の任意の組み合わせであるように、CO 2 7を用いて溶媒交換および乾燥を提供することができクリア処理の利点。バイオポリマー分散液は、単一のオートクレーブ中で、メイン処理媒体としてCO 2を使用してバイオポリマーエアロゲルに変換することができる。利点は、集積ワンポット法として想定されます。ためにゲル化、溶媒交換、超臨界乾燥および処理媒体としてCO 2を使用して、単一のオートクレーブ内で5,19プロセスをロードする活性成分：特定の医薬用途は、1は、4つのステップを実行するも想像することができます。特定の場合には、そのような薬剤を負荷したエアロゲルの保護コーティングとしての後処理は、標的薬剤放出20のために必要です。 結論として、本研究は、アミド化ペクチンベースのシステムのゲル化のための加圧CO 2の使用方法を示しています。また、単一のオートクレーブ内のターゲット・アプリケーションのための製品への変換前駆体のための一般的な媒体としての加圧CO 2の使用が想定されます。

エアロゲルは、（例えば、シリカ、チタニア、ジルコニアなどのような）無機（例えば、レゾルシノールホルムアルデヒド、ポリウレタン等のような）合成または生体高分子（多糖類、タンパク質および他の範囲の前駆体の様々な方法を用いて調製することができる多孔性物質のクラスであります）2。どのような従来の多孔性材料からそれらを離れて設定すると、同時に3つのすべての特性を有するための能力です。即ち、高表面積、超低密度メソポーラス細孔径分布（ すなわち 、2〜50ナノメートルの孔サイズ）。前述の特性により、エアロゲルは広く断熱、生物医学、触媒、吸着と吸収用途、医薬品およびneutraceuticals 2の分野で応用されています。上記の可能性を考慮すると、生体高分子ゲルシステムの生産及びエアロゲルへのその後の変換は、バイオベースの高付加価値の方の機会を多数開きます材料。このような努力は、一例として、アミド化ペクチンを使用して、この研究に取りました。 エアロゲルは、典型的には、ゾル - ゲル法により製造されます。ゲルは、マトリックス中に捕捉された液体からなるシステムであり、熱または低温クロス3を連結する共有結合、イオン結合、pHを誘発さによって調製することができます。この特定のシステムのために、私たちはイオン架橋を利用して、 すなわち、二価カチオン（ 例えば 、カルシウム）を一緒に生体高分子鎖を架橋します。そのようなアミド化ペクチンやアルギン酸などの生体高分子の制御可能なイオン架橋を行うためには、拡散法や内部設定方法4を使用することができます。陽イオンがアミド化ペクチンやアルギン酸の液滴又は層4に外溶液から拡散するように拡散法では、ゲル化は、拡散伝播が続く外側の層で、最初に発生します。内部設定方法では、架橋剤の不溶性形態は、均質バイオポリマーsolutioに分散されていますnおよびカチオンはpH変化4,5,6を開始することによって解放されます。しかし、両方の技術は、スラブまたはモノリシック形で産生された場合、最終的なゲルの均質性に関する問題に直面しています。この作品は、アルギン酸塩ゲル3,7上の以前の作品にさらなる構築アミド化ペクチンヒドロゲルを製造するための高圧CO 2（5メガパスカル）の使用方法を示します。簡潔には、均一なゲルを生成する代わりに弱酸のpHを減少させるために加圧されたCO 2を利用して内部設定ゲル化技術です。圧力の増加に伴って、水が上昇中の二酸化炭素の溶解度は、3.0〜8のpHの低下を伴います。これは、カルシウムイオンを放出し、炭酸カルシウムが可溶化させます。カルシウムイオンは、ヒドロゲルを生成するアミド化ペクチンバイオポリマーと架橋します。非常に低い生体高分子の濃度（0.05重量％）までの安定した均質なゲルは、この技術7を使用して製造することができました。 gelatとしてイオンは、水性媒体中で行われ、有機溶媒への溶媒交換を伴うCO 2 /水系中で混和性ギャップに必要とされます。典型的には低分子量アルコール（メタノール/エタノール/イソプロパノール）、ケトン類（アセトン）を溶媒交換処理に用いることができます。しかし、純粋なエタノール又は他の有機溶媒と一緒にお風呂での直接浸漬は、重大な不可逆的な収縮につながります。この欠点を回避するために、段階的な溶媒交換は5,9行われます。ゲル内部の溶媒濃度が&gt; 98％に達すると、有機溶媒がエアロゲルを残し、超臨界CO 2（12メガパスカル）で乾燥します。

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultraturrax homogenizer</td><td>IKA, Germany</td><td>T 25 Digital</td><td></td></tr><tr><td>Polypropylene molds</td><td>TH. Geyer, Germany</td><td>9,033,201</td><td></td></tr><tr><td>High pressure autoclave&amp;nbsp;</td><td>Ernst Haage, Germany</td><td>custom made</td><td>Setup constuction done in-house</td></tr><tr><td>Compressor</td><td>Andreas Hofer</td><td>MKZ 185-40</td><td>Setup constuction done in-house</td></tr><tr><td>Nitrogen adsorption</td><td>Quantachrome</td><td>Nova 4000e</td><td></td></tr><tr><td>Density meter</td><td>Anton Paar</td><td>DMA 4000</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Amidated pectin</td><td>Herbstreith and Fox, Germany</td><td>CU 025</td><td>CAS # 56645-02-4; provided by company for research purposes</td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide</td><td>Sigma Aldrich, Germany</td><td>S8045</td><td>CAS # 1310-73-2; required only in case the pectin solution needs to be neutralized to pH 6.5-7.5</td></tr><tr><td>Calcium carbonate</td><td>Magnesia GmbH, Germany</td><td>4421 Calcium carbonat, leicht, pr&amp;auml;zipitiert, EP, E170</td><td>CAS # 471-34-1</td></tr><tr><td>Ethanol, 99.8%</td><td>Sigma Aldrich, Germany</td><td>32205</td><td>CAS # 64-17-5</td></tr><tr><td>Carbon dioxide, 99.9%</td><td>AGA Gas GmbH, Germany</td><td></td><td>CAS # 124-38-9; in-house tank available (3 ton)</td></tr><tr><td>Deionised Water</td><td></td><td></td><td>CAS # 7732-18-5;&amp;nbsp; available in-house (6.4-7.0 pH)</td></tr></tbody></table>

preparation of biopolymer aerogels using green solvents

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers (gelatin, agar, cellulose), only recently have biomasses been recognized as an abundant source of chemically diverse macromolecules for functional aerogel materials. Biopolymer aerogels (pectin, alginate, chitosan, cellulose, etc.) exhibit both specific inheritable functions of starting biopolymers and distinctive features of aerogels (80-99% porosity and specific surface up to 800 m2/g). This synergy of properties makes biopolymer aerogels promising candidates for a wide gamut of applications such as thermal insulation, tissue engineering and regenerative medicine, drug delivery systems, functional foods, catalysts, adsorbents and sensors. This work demonstrates the use of pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the ionic cross linking of amidated pectin into hydrogels. Initially a biopolymer/salt dispersion is prepared in water. Under pressurized CO2 conditions, the pH of the biopolymer solution is lowered to 3 which releases the crosslinking cations from the salt to bind with the biopolymer yielding hydrogels. Solvent exchange to ethanol and further supercritical CO2 drying (10 - 12 MPa) yield aerogels. Obtained aerogels are ultra-porous with low density (as low as 0.02 g/cm3), high specific surface area (350 - 500 m2/g) and pore volume (3 - 7 cm3/g for pore sizes less than 150 nm).

（プロトコル部2に指示されるように）より高い架橋度（Q = 2）でゲル化工程後に得られた代表的なヒドロゲルは、図1に示されている。左側の試料（試料A及びB）が2重量％と1重量％ですCO 2誘導性のゲル化により得られたペクチンゲル。バイオポリマーの濃度（0.5重量％以下）を減少させることにより、ゲルは透明（試料C）となります。生体高分子の濃度（0.25重量％）のさらなる減少はまた、安定したヒドロゲル（試料D）が得られるが、これらのゲルは非常に壊れやすく、取り扱いの際に破ることができます。溶解したCO 2は、CO 2の溶解度の減少によるゲル水システムを離れるとヒドロゲルの内側に観察された気泡は減圧時に作成されます。 アミド化ペクチンエアロゲル特性を表1に示す。得られたエアロゲルは、低デン有する超多孔質であります<html> sityエアロゲルの質量と体積の比として測定した（3グラム / cmの0.013という低いです）。表面積は、窒素吸着によって測定されます。 500 2 / gの-ペクチンエアロゲルの場合は、350の間の特定の表面積を生じました。 4-150ナノメートルの範囲の細孔サイズの細孔容積は、窒素（BJH法）を用いて細孔充填のケルビンモデルによって測定されます。 4と150 nmの細孔サイズのために7センチメートル3 /グラム-アミド化ペクチンエアロゲルのための細孔容積は3の間でした。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54116/54116fig1.jpg" /> 高い架橋度（Q = 2）図1.アミド化ペクチンヒドロゲル左上：2重量％（サンプルA）;。右上：1重量％（試料B）。下左：0.5重量％（サンプルC）を、右下：0.25重量％（試料D）。ゲルは、バイオポリマーの濃度を低下させると透明になります。気泡はCO 2減圧中に生成されます。https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> ペクチン濃度[重量％] </td><td> 架橋度Q </td><td> 嵩密度[グラム/ cm 3の] </td><td> 比表面積[m 2の/ G] </td><td> 比細孔体積[cm 3の/ G] </td><td> 平均孔径（直径）[nm]で </td></tr><tr><td> 2.00 </td><td> 1 </td><td> 0.081 </td><td> 502 </td><td> 4.1 </td><td> 14 </td></tr><tr><td> 1.00 </td><td> 1 </td><td> 0.044 </td><td> 491 </td><td> 7.1 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 0.50 </td><td> 1 </td><td> 0.035 </td><td> 357 </td><td> 3.8 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 0.25 </td><td> 1 </tD&gt; <td> 0.013 </td><td> 335 </td><td> 4.9 </td><td> 41 </td></tr><tr><td> 2.00 </td><td> 2 </td><td> 0.069 </td><td> 447 </td><td> 3.1 </td><td> 13 </td></tr><tr><td> 1.00 </td><td> 2 </td><td> 0.048 </td><td> 441 </td><td> 3.6 </td><td> 26 </td></tr><tr><td> 0.50 </td><td> 2 </td><td> 0.030 </td><td> 429 </td><td> 5.8 </td><td> 25 </td></tr><tr><td> 0.25 </td><td> 2 </td><td> 0.017 </td><td> 347 </td><td> 5.0 </td><td> 24 </td></tr></tbody></table> 表アミド化ペクチンエアロゲルの1特徴。

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Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO2) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO2 (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO2 are water and ethanol.

グリーン溶剤を使用したバイオポリマーエアロゲルの調製

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

17.6K ビュー.  Hamburg University of Technology. A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO2) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO2 (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO2 are water and ethanol.

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Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The procedure requires 15-20 min of preparation time, during which a liquid precursor mixture is prepared and poured into wells of a metal mold that is placed between the platens of a hydraulic hot press, followed by several hours of processing within the hot press. The precursor solution consists of a 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10-3 molar ratio of tetramethylorthosilicate (TMOS):methanol:water:ammonia. In each well of the mold, a porous silica sol-gel matrix forms. As the temperature of the mold and its contents is increased, the pressure within the mold rises. After the temperature/pressure conditions surpass the supercritical point for the solvent within the pores of the matrix (in this case, a methanol/water mixture), the supercritical fluid is released, and monolithic aerogel remains within the wells of the mold. With the mold used in this procedure, cylindrical monoliths of 2.2 cm diameter and 1.9 cm height are produced. Aerogels formed by this rapid method have comparable properties (low bulk and skeletal density, high surface area, mesoporous morphology) to those prepared by other methods that involve either additional reaction steps or solvent extractions (lengthier processes that generate more chemical waste).The rapid supercritical extraction method can also be applied to the fabrication of aerogels based on other precursor recipes.

This article describes a rapid supercritical extraction method for fabricating silica aerogels. By utilizing a confined mold and hydraulic hot press, monolithic aerogels can be made in eight hours or less.

急速な超臨界抽出方法によるシリカエアロゲルモノリスを準備

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The ...

化学

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. Additionally, most reported graphene assemblies are held together through physical interactions (e.g., van der Waals forces) rather than chemical bonds, which limit their mechanical strength and conductivity. This video method details recently developed strategies to fabricate mass-producible, graphene-based bulk materials derived from either polymer foams or single layer graphene oxide. These materials consist primarily of individual graphene sheets connected through covalently bound carbon linkers. They maintain the favorable properties of graphene such as high surface area and high electrical and thermal conductivity, combined with tunable pore morphology and exceptional mechanical strength and elasticity. This flexible synthetic method can be extended to the fabrication of polymer/carbon nanotube (CNT) and polymer/graphene oxide (GO) composite materials. Furthermore, additional post-synthetic functionalization with anthraquinone is described, which enables a dramatic increase in charge storage performance in supercapacitor applications.

This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

グラフェンエアロゲルとグラフェンマクロアセンブリ：3Dナノグラフェン材料の合成と機能化

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

工学

Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three preparation methods are described: (a) the incorporation of metal salts into silica or alumina wet gels using an impregnation method; (b) the incorporation of metal salts into alumina wet gels using a co-precursor method; and (c) the addition of metal nanoparticles directly into a silica aerogel precursor mixture. The methods utilize a hydraulic hot press, which allows for rapid (&#60;6 h) supercritical extraction and results in aerogels of low density (0.10 g/mL) and high surface area (200-800 m2/g). While the work presented here focuses on the use of copper salts and copper nanoparticles, the approach can be implemented using other metal salts and nanoparticles. A protocol for testing the three-way catalytic ability of these aerogels for automotive pollution mitigation is also presented. This technique uses custom-built equipment, the Union Catalytic Testbed (UCAT), in which a simulated exhaust mixture is passed over an aerogel sample at a controlled temperature and flow rate. The system is capable of measuring the ability of the catalytic aerogels, under both oxidizing and reducing conditions, to convert CO, NO and unburned hydrocarbons (HCs) to less harmful species (CO2, H2O and N2). Example catalytic results are presented for the aerogels described.

Here we present protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms. Methods for preparing materials using copper salts and copper-containing nanoparticles are featured. Catalytic testing protocols demonstrate the effectiveness of these aerogels for three-way catalysis applications.

急速な超臨界抽出法によって作製した触媒のエアロゲルの作製と試験

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three ...

A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various precursor noble metal ions with reducing agents in a 1:1 (v/v) ratio results in the formation of metal gels within seconds to minutes compared to much longer synthesis times for other techniques such as sol-gel. Conducting the reduction step in a microcentrifuge tube or small volume conical tube facilitates a proposed nucleation, growth, densification, fusion, equilibration model for gel formation, with final gel geometry smaller than the initial reaction volume. This method takes advantage of the vigorous hydrogen gas evolution as a by-product of the reduction step, and as a consequence of reagent concentrations. The solvent accessible specific surface area is determined with both electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. After rinsing and freeze drying, the resulting aerogel structure is examined with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, and nitrogen gas adsorption. The synthesis method and characterization techniques result in a close correspondence of aerogel ligament sizes. This synthesis method for noble metal aerogels demonstrates that high specific surface area monoliths may be achieved with a rapid and direct reduction approach.

A rapid, direct solution-based reduction synthesis method to obtain Au, Pd, and Pt aerogels is presented.

Au、Pd、およびソリューションに基づく還元を介して Pt エアロゲルの迅速合成法

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various ...

Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often result in fragile aerogels with poor shape control. The use of carboxymethylated cellulose nanofibers (CNFs) to form a covalently bonded hydrogel allows for the reduction of metal ions such as palladium on the CNFs with control over both nanostructure and macroscopic aerogel monolith shape after supercritical drying. Crosslinking the carboxymethylated cellulose nanofibers is achieved using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) in the presence of ethylenediamine. The CNF hydrogels maintain their shape throughout synthesis steps including covalent crosslinking, equilibration with precursor ions, metal reduction with high concentration reducing agent, rinsing in water, ethanol solvent exchange, and CO2 supercritical drying. Varying the precursor palladium ion concentration allows for control over the metal content in the final aerogel composite through a direct ion chemical reduction rather than relying on the relatively slow coalescence of pre-formed nanoparticles used in other sol-gel techniques. With diffusion as the basis to introduce and remove chemical species into and out of the hydrogel, this method is suitable for smaller bulk geometries and thin films. Characterization of the cellulose nanofiber-palladium composite aerogels with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, thermal gravimetric analysis, nitrogen gas adsorption, electrochemical impedance spectroscopy, and cyclic voltammetry indicates a high surface area, metallized palladium porous structure.

A synthesis method for cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented.The resulting composite aerogel materials offer potential for catalysis, sensing, and hydrogen gas storage applications.

セルロースナノファイバーバイオテンプレートパラジウム複合エアロゲルの合成法

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often ...

Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity

Applications such as sensors, batteries, and fuel cells have been improved through the use of highly porous aerogels when functional compounds are encapsulated within the aerogels. However, few reports on encapsulating proteins within sol&#8211;gels that are processed to form aerogels exist. A procedure for encapsulating cytochrome c (cyt. c) in silica (SiO2) sol-gels that are supercritically processed to form bioaerogels with gas-phase activity for nitric oxide (NO) is presented. Cyt. c is added to a mixed silica sol under controlled protein concentration and buffer strength conditions. The sol mixture is then gelled and the liquid filling the gel pores is replaced through a series of solvent exchanges with liquid carbon dioxide. The carbon dioxide is brought to its critical point and vented off to form dry aerogels with cyt. c encapsulated inside. These bioaerogels are characterized with UV-visible spectroscopy and circular dichroism spectroscopy and can be used to detect the presence of gas-phase nitric oxide. The success of this procedure depends on regulating the cyt. c concentration and the buffer concentration and does not require other components such as metal nanoparticles. It may be possible to encapsulate other proteins using a similar approach making this procedure important for potential future bioanalytical device development.

Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity

This procedure describes how to encapsulate cytochrome c (cyt. c) in silica (SiO2) sol-gels, process these gels to form bioaerogels, and use these bioaerogels to rapidly recognize nitric oxide (NO) through a gas-phase reaction. This type of protocol may aid in the future development of biosensors or other bioanalytical devices.

シトクロムをカプセル化<em&gt; C</em&gt;金属ナノ粒子なしのシリカエアロジェルナノアーキテクチャで気相生物活性を保持しながら、

Applications such as sensors, batteries, and fuel cells have been improved through the use of highly porous aerogels when functional compounds are ...

生物工学

Forming Giant-sized Polymersomes Using Gel-assisted Rehydration

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier properties, chemical versatility and tunable physical characteristics. Typical methods used to prepare giant-sized (&gt; 4 &#181;m) vesicles, however, are both time and labor intensive, yielding low numbers of intact polymersomes. Here, we present for the first time the use of gel-assisted rehydration for the rapid and high-yielding formation of giant (&gt;4 &#181;m) polymer vesicles (polymersomes). Using this method, polymersomes can be formed from a wide array of rehydration solutions including several different physiologically-compatible buffers and full cell culture media, making them readily useful for biomimicry studies. This technique is also capable of reliably producing polymersomes from different polymer compositions with far better yields and much less difficulty than traditional methods. Polymersome size is readily tunable by altering temperature during rehydration or adding membrane fluidizers to the polymer membrane, generating giant-sized polymersomes (&gt;100 &#181;m).

We present a protocol to rapidly form giant polymer vesicles (pGVs). Briefly, polymer solutions are dehydrated on dried agarose films adhered to coverslips. Rehydration of the polymer films results in rapid formation of pGVs. This method greatly advances the preparation of synthetic giant vesicles for direct applications in biomimetic studies.

ジェル支援補水を使用した巨大なサイズのポリマーソームを形成します

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier ...

Aesthetically Enhanced Silica Aerogel Via Incorporation of Laser Etching and Dyes

A procedure for aesthetically enhancing silica aerogel monoliths by laser etching and incorporation of dyes is described in this manuscript. Using a rapid supercritical extraction method, large silica aerogel monolith (10 cm x 11 cm x 1.5 cm) can be fabricated in about 10 h. Dyes incorporated into the precursor mixture result in yellow-, pink- and orange-tinged aerogels. Text, patterns, and images can be etched onto the surface (or surfaces) of the aerogel monolith without damaging the bulk structure. The laser engraver can be used to cut shapes from the aerogel and form colorful mosaics.

This protocol describes a method for etching text, patterns, and images onto the surface of silica aerogel monoliths in native and dyed form and assembling the aerogels into mosaic designs.

レーザーエッチングと染料の組み込みによる美的強化シリカ・アエロゲル

A procedure for aesthetically enhancing silica aerogel monoliths by laser etching and incorporation of dyes is described in this manuscript. Using a rapid ...

Designed for Molecular Recycling: A Lignin-Derived Semi-aromatic Biobased Polymer

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make a positive effort to solve the issue of polymer materials in the disposal phase after the use phase. In this paper, the production of biobased semi-aromatic polyesters, which can be extracted entirely from biomass such as lignin, is described and visualized. The polymer poly-S described in this paper has thermal properties similar to certain commonly used plastics, such as PET. We developed a Green Knoevenagel reaction, which can efficiently produce monomers from aromatic aldehydes and malonic acid. This reaction has been proven to be scalable and has a remarkably low calculated E-factor. These polyesters with ligno-phytochemicals as a starting point show an efficient molecular recycling with minimal losses. The polyester poly(dihydrosinapinic acid) (poly-S) is presented as an example of these semi-aromatic polyesters, and the polymerization, depolymerization, and re-polymerization are described.

An example of a closed-loop approach towards a circular materials economy is described here. A whole sustainable cycle is presented where biobased semi-aromatic polyesters are designed by polymerization, depolymerization, and then re-polymerized with only slight changes in their yields or final properties.

分子リサイクル向けに設計:リグニン由来の半芳香族バイオベースポリマー

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and thus achieving stable water permeability through membranes over time. Here, we report a facile method to prepare hydrogels based on zwitterions for membrane applications. Freestanding films can be prepared from sulfobetaine methacrylate (SBMA) with a crosslinker of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymerization. The hydrogels can also be prepared by impregnation into hydrophobic porous supports to enhance the mechanical strength. These films can be characterized by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to determine the degree of conversion of the (meth)acrylate groups, using goniometers for hydrophilicity and differential scanning calorimetry (DSC) for polymer chain dynamics. We also report protocols to determine the water permeability in dead-end filtration systems and the effect of foulants (bovine serum albumin, BSA) on membrane performance.

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

水質浄化のための膜のような防汚特性を持つハイドロゲルの合成

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...